電場(chǎng)儀球形傳感器涂覆方案研究

吳先明，李得天，霍紅慶，馬勉軍，雷軍剛，王佐磊

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

電場(chǎng)儀是用于電離層中電場(chǎng)探測(cè)的儀器[1-7]。主動(dòng)式雙探針測(cè)量空間電場(chǎng)能夠達(dá)到很高的精度。采用金屬球外表面增加涂層的方法抑制純金屬球較高的光電效應(yīng)。考慮到導(dǎo)電、隔熱等性能，采用環(huán)氧樹脂石墨材料DAG213作為涂層材料[8]。在電場(chǎng)儀空間工作壽命范圍內(nèi)，涂層主要滿足抗紫外腐蝕，根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，涂層的厚度不低于30μm，另外電場(chǎng)儀的精度要求很高，需要兩傳感器具有優(yōu)異的一致性，對(duì)涂層的均勻性提出了更高的要求，基于上述原因，要求涂層厚度在30～40μm。

手工噴涂的均勻性不能滿足要求，且工藝穩(wěn)定性差，工藝參數(shù)難以控制，需要改進(jìn)噴涂工藝完成電場(chǎng)儀球形傳感器的涂覆工作。

1 涂覆方案

1.1 總體方案

本方案將球形傳感器沿其短桿方向與步進(jìn)電機(jī)連接，如圖1所示。短桿方向?yàn)榻?jīng)度方向，于是同一緯度上涂層的均勻性由電機(jī)帶動(dòng)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。噴槍固定于機(jī)械臂上，如圖2所示，機(jī)械臂能夠帶動(dòng)噴槍沿傳感器短桿方向，以固定高度作勻速運(yùn)動(dòng)。噴槍口、擋板開口的中心，以及傳感器的球心在同一條直線上，與底板垂直。同一經(jīng)度不同緯度傳感器表面涂層的均勻性，通過在噴槍和傳感器之間增加帶開口的擋板實(shí)現(xiàn)。

圖1 傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)安裝布局示意圖

圖2 噴涂方案示意圖

1.2 檔板開口形狀的確定

設(shè)底板平面為x-y平面，將擋板開口和球形傳感器投影至x-y平面內(nèi)，如圖3所示。為表達(dá)清晰，將擋板上開口曲線和球形傳感器的投影分別置于坐標(biāo)系1和坐標(biāo)系2內(nèi)，兩坐標(biāo)系y軸重合，x軸平行，兩坐標(biāo)系原點(diǎn)在y方向錯(cuò)開一段距離。對(duì)于擋板上的開口曲線，考察線段EF上部的部分。圖中h表示曲線的縱坐標(biāo)。

為確定檔板上開口的形狀，首先不考慮噴涂到傳感器上涂料的發(fā)散角，即涂料垂直落到球面上。設(shè)落到擋板開口x-x+dx處的涂料的平均密度為ρ(x)，xx+dx對(duì)應(yīng)球形傳感器的球臺(tái)側(cè)面積為ds，球形傳感器的半徑為R。由圖3看出，為使落到球面上的涂料均勻，噴到球面上寬度為dx的環(huán)帶上的單位面積上涂料量應(yīng)為常數(shù)，于是有：

其中：

于是有：

得到擋板開口曲線的縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系為：

圖3 傳感器與擋板開口微元分析圖

假定噴斑覆蓋擋板開口的部分是均勻的，則ρ(x)是常數(shù)，于是擋板上開口形狀曲線為h=k1，即不考慮噴槍出料的發(fā)散角的前提下，擋板上的開口為矩形，其中k1是與噴槍的出料速率以及擋板開口最寬處長(zhǎng)度有關(guān)系的常數(shù)。

在實(shí)際噴涂過程中，由于噴槍的出料為圓錐形，在噴槍沿經(jīng)向運(yùn)動(dòng)過程中，除兩極外傳感器上每點(diǎn)都涉及兩次重復(fù)覆蓋的過程，而兩極各只存在一次重復(fù)覆蓋的機(jī)會(huì)，于是需要在兩極增加引導(dǎo)段如圖4所示，以使兩極獲得兩次重復(fù)覆蓋的機(jī)會(huì)。

矩形寬度值的確定如圖5所示，l1與l2之間的距離與短桿的直徑相等，則噴涂在矩形CDMN之間的球面上的涂料均勻，如果矩形開口的寬度大于短桿的直徑，即開口為l3和l4兩條直線，則圖中矩形ABGF之間的球面上的涂料均勻。球臺(tái)ABDC和球臺(tái)FGMN則會(huì)由于從擋板開口穿過的涂料不全涂到球面上而導(dǎo)致這兩個(gè)球臺(tái)上的涂料不均勻，從而需要改變引導(dǎo)段的幾何形狀（甚至是引導(dǎo)段擋板的曲率以實(shí)現(xiàn)）。當(dāng)然，擋板上矩形開口的寬度小于短桿的直徑即1.9 cm能夠保證噴涂到球面上的涂料的均勻。開口的寬度決定噴涂的時(shí)間，即噴涂總次數(shù)。

由上述討論得到擋板上開口的形狀為矩形，球形傳感器的直徑為3 cm，傳感器兩側(cè)短桿的直徑為1.9 cm，則矩形的寬度可以設(shè)定為1.9 cm。

圖4 擋板開口引導(dǎo)段

圖5 擋板開口尺寸圖

1.3 對(duì)擋板開口形狀的修正

為了使噴涂到傳感器表面的涂料均勻，需要對(duì)擋板開口的形狀進(jìn)行修正。一是涂料從開口處噴涂料到球面上在經(jīng)度方向有發(fā)散角，而經(jīng)度方向不同緯度處傳感器表面存在高度差；二是噴斑覆蓋開口處的涂料質(zhì)量分布不均勻。

選擇某一尺寸的平行形狀的開口進(jìn)行噴涂實(shí)驗(yàn)，噴涂后球形傳感器上的涂層進(jìn)行測(cè)量得到厚度分布T（x）（圖6），該厚度分布可以等效為通過擋板的涂料密度分布ρ(x)，則有y?dx?ρ(x)=c?2πR?dx，從而得到對(duì)擋板的形狀修正曲線。

圖6 傳感器涂層厚度測(cè)量選點(diǎn)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 直線開口噴涂實(shí)驗(yàn)

使用間距為15 mm的矩形開口噴涂10個(gè)來回，得到的工藝件涂層厚度的數(shù)據(jù)如表1所列。

由表1可以看出涂層厚度最大與最小值之間差5μm，涂層厚度以赤道為中心兩邊接近對(duì)稱，赤道處厚度最大，向兩極厚度遞減。涂層厚度出現(xiàn)赤道處厚，兩極薄，主要是由噴槍出料具有發(fā)散角造成的。

2.2 修正開口形狀后的噴涂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 擋板1實(shí)驗(yàn)

對(duì)開口的形狀進(jìn)行修正。擋板1的開口與傳感器對(duì)應(yīng)的部分采用直線段連接，形狀和規(guī)格如圖7所示。噴涂18次得到的涂層厚度分布如圖8所示，噴涂18次得到的涂層厚度數(shù)據(jù)如表2所列。

圖7 擋板1開口形狀及規(guī)格

圖8 噴涂18次得到的涂層厚度分布圖

從此次噴涂結(jié)果看，涂層最大與最小厚度差為4μm，涂層的均勻性良好，赤道處略薄，這是由于開口中心處收縮得略窄造成的。涂層最小厚度為27μm，整個(gè)傳感器表面涂層厚度平均值為29μm，接近傳感器涂層厚度30μm的要求，考慮到涂層固化厚度具有10%左右的收縮，通過適當(dāng)增加噴涂次數(shù)使厚度值達(dá)到要求。

表1 工藝件涂層厚度測(cè)量結(jié)果（單位：μm）

表2 噴涂18次得到的涂層厚度測(cè)量結(jié)果（單位：μm）

2.2.2 擋板2實(shí)驗(yàn)

圖9為擋板2開口形狀及規(guī)格，圖10和表3是利用擋板上開口（擋板2），噴涂24次得到的涂層厚度分布圖和涂層厚度數(shù)據(jù)表。

從表3噴涂結(jié)果看，涂層最大與最小厚度差為9μm，涂層的均勻性良好，赤道處略薄，這是由于開口中心處收縮得略窄造成的。涂層最大厚度為48μm，在固化之后涂層厚度略大于電場(chǎng)儀涂層厚度的最大值40μm，通過適當(dāng)減少噴涂次數(shù)使厚度值達(dá)到要求。

圖9 擋板2開口形狀及規(guī)格

圖10 噴涂24次得到的涂層厚度分布圖

3 對(duì)方案的說明

3.1 關(guān)于工藝的穩(wěn)定性

本方案球形傳感器緯度方向上涂層的均勻性由球形傳感器的適當(dāng)轉(zhuǎn)速聯(lián)合多次噴涂實(shí)現(xiàn)，經(jīng)度方向上的均勻性由控制擋板上開口的形狀實(shí)現(xiàn)。于是在整個(gè)噴涂過程中，涂料的濃度、噴槍的高度、出料的速率（即輸送氣壓）、擋板與噴槍之間的距離、擋板與傳感器之間的距離等都是可以固化的量，改變擋板上開口的形狀可以保證球形傳感器噴涂的均勻性。噴涂次數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定。

表3 噴涂24次得到的涂層厚度測(cè)量結(jié)果（單位：μm）

3.2 半球噴涂方案

傳感器的涂層需要在120℃的溫度下固化24 h，為保證傳感器內(nèi)置電路不受損害，可進(jìn)行半球分別涂覆，固化后安裝內(nèi)置電路，之后將兩半球合并。與此對(duì)應(yīng)的噴涂方案為：半球分別噴涂時(shí)利用圖11中開口的LEACGN段和BFMOHD段，兩半球合并后利用開口的ABDC段進(jìn)行噴涂。這樣，兩次噴涂的合成效果與全球噴涂利用全部開口LEABFMOHDCGN段效果相同。

圖11 半球噴涂方案擋板開口形狀圖

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)儀器球形傳感器涂層的均勻性，提出了一種新的電場(chǎng)儀球形傳感器噴涂方案，通過機(jī)械臂帶動(dòng)噴槍運(yùn)動(dòng)，在噴槍和球形傳感器之間增加帶開口的擋板，通過理論計(jì)算得到開口的形狀曲線。從初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)儀球形傳感器涂層均勻性的要求。另外，本方案能夠使工藝穩(wěn)定，相關(guān)的參數(shù)可以固化。通過噴涂厚度的測(cè)量結(jié)果，調(diào)整擋板上開口的形狀能夠精細(xì)控制電場(chǎng)儀球形傳感器表面涂層的均勻性。對(duì)于本方案而言，由于取的是束斑的中央部分，束縛外圍的干燥部分不會(huì)噴涂到傳感器上，因此不會(huì)在傳感器表面形成沉積顆粒，提高了涂層的質(zhì)量。

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